nanotecnologÍa y la industria automotriz

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Nanotecnología y la industria automotriz

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NANOTECNOLOGÍA Y LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZPosted on 4 febrero, 2020 by Amelia Olivas Sarabia y Enrique C. Sámano Tirado

Category: Ciencia

Fotografía: Proyecto de vehículo de nano celulosa “Coche futurista hecho de madera”en la exposición TOKYO MOTOR SHOW 2019. Nanofibras de celulosa se utilizan para este vehículo.

TOKIO, JAPÓN - 1 DE NOVIEMBRE DE 2019.

ResumenAun siendo reciente su utilización, las aplicaciones de la nanotecnología en la industria automotrizson diversas. Van desde la construcción de automóviles más ligeros, ahorro de combustible enmotores de combustión interna, o diseño de baterías eficientes en caso de ser eléctricos; ensistemas para reducción de contaminantes, sensores electrónicos, armazón anticorrosivo, pinturacontra la abrasión, etc. Este artículo tiene la finalidad de introducir al lector en el campo de lananotecnología, en particular de los nanomateriales, explicando el comportamiento de la materia aescala nanométrica y su uso en el autotransporte.

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La humanidad siempre se ha maravillado con los diversos fenómenos naturales que ocurren a sualrededor. Así mismo, se ha preguntado por qué, cómo y cuándo suceden. Esto, a su vez, conduce auna comprensión de su entorno, o lo que ahora llamamos Ciencia. Gracias al pragmatismo ycreatividad innatos de la mente humana, esta noción adquirida de la Naturaleza lo llevó a suadaptación práctica en la solución de problemas de la vida diaria, o lo que ahora llamamosTecnología. Hasta hace algunos años, la Ciencia y la Tecnología se limitaban a lo que la humanidadcaptaba y conocía a través de sus sentidos, o incluso por medio de una lupa o microscopio. Este“mundo” se encuentra entre las escalas macroscópica y microscópica, o escala humana.Nanociencia y nanotecnología se refieren generalmente al “mundo fenomenológico” a escalananométrica; aquel que el hombre no percibe de manera directa, ni aún con el uso de instrumentosópticos. A éste pertenecen las nanopartículas y nanomateriales que son tan mencionados en losmedios de información actuales .

La humanidad siempre se ha maravillado con los diversos fenómenos naturales que ocurrena su alrededor.

Para tener una idea de la escala nanométrica, tomemos como referencia una casa convencional contamaño aproximado de 10 metros. Si la casa se reduce 100 000 veces su tamaño original, tendría untamaño aproximadamente igual al grosor de un cabello humano, 100 micras. Ahora bien, si el grosorde un cabello también se reduce 100 000 veces, tendría un grosor de 1 nanómetro que es la escalade uno de los nanomateriales más importantes y conocidos actualmente, el nanotubo de carbono .En resumen, la nanociencia es el estudio e investigación de nuevas propiedades y comportamientode la materia que ocurren en escala nanométrica, y la nanotecnología es el desarrollo de métodospara usar y maniobrar materiales y partículas que conduzcan a la fabricación de nanoaparatos onanodispositivos con un fin específico. Para continuar aclararemos qué son los nanomateriales y lasnanopartículas comenzando por estas últimas.

Tomando en cuenta que partícula es un fragmento diminuto o porción muy pequeña de materia, sinespecificar la escala, entonces las nanopartículas son cuerpos cuyo tamaño se encuentra en elrango de 1 a 100 nanómetros . Las nanopartículas se caracterizan porque el área de la superficie queencierra su cuerpo es más grande que materiales más grandes con volumen semejante, lo que noocurre en otra escala . Esto significa que una mayor superficie de las nanopartículas es disponiblepara interaccionar con los materiales que las rodean. De manera semejante a la definición denanopartículas, los nanomateriales son objetos a escala nanométrica, donde el tamaño de losbloques de construcción individuales que lo conforman están en entre 1 y 100 nanómetros, almenos en una de sus dimensiones. Los materiales en la nanoescala pueden tener propiedades

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diferentes a aquellos en la macroescala. Por ejemplo, algunos de ellos se convierten en mejoresconductores eléctricos o de calor; algunos son más duros y resistentes al desgaste, otros puedenreflejar mejor la luz o, incluso, “cambian” de color al variar su tamaño .

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Nanopartículas de plata vistas con microscopioelectrónico de transmisión.

La química y la física son disciplinas que hancontribuido significativamente en el avance denanomateriales y nanopartículas, tanto enciencia básica como en aplicaciones, que a suvez llevan a la creación de productos nuevos omejora de los ya existentes. Estas dos áreasestán estrechamente relacionadas, ya que laprimera permite la exploración y optimizaciónde rutas de síntesis para la creación denanomateriales y nanopartículas con nuevasestructuras, mientras que la segunda trata dela interacción de éstos con energía y materia asu alrededor para lograr propiedadesextraordinarias . Un ejemplo son lasnanopartículas de oro y plata, ya que al menosdesde el siglo X se han utilizado tanto encerámica como en vitrales para la obtenciónde una gran diversidad de colores y tonosbrillantes sin que el artesano lo supiera . Alhombre le tomó más de 10 siglos comprendery controlar la nucleación de átomos de oro yplata en suspensión coloidal para la obtenciónde nanopartículas con diámetros que vandesde 1 hasta 250 nanómetros . La invención ydesarrollo de nuevos microscopioselectrónicos y equipo científico de altaprecisión hicieron posible monitorear ycontrolar el tamaño y forma de lasnanopartículas sintetizadas, lo que a su vezcondujo al estudio de la absorción de luz yconversión en calor para eliminar de maneraselectiva células cancerosas sin efectoscolaterales para el caso de nanopartículas deoro, y efecto microbicida para lasnanopartículas de plata, por mencionar un parde ejemplos.

Proyectándonos hacia el futuro, lananotecnología se podría expandir de manera

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favorable al preferir la técnica deamplificación, sobre la de miniaturización, conla finalidad de manufacturar nanoproductos.Esto se debe a que algunas moléculas puedenagruparse, enlazarse químicamente y auto-ensamblarse en estructuras ordenadas bajolas condiciones adecuadas de síntesis y medioque las rodea. Esto es ecológicamenteconveniente para el desarrollo sustentable delser humano, ya que se reducirían losdesperdicios producidos en los actualesprocesos de fabricación que usan las técnicasde miniaturización. En particular, la eliminaciónde excedentes tóxicos generados durante elproceso de manufactura en la industriaelectrónica, que se basa en la técnica de laminiaturización, que causa actualmente ungrave impacto en el medio ambiente. Hoy endía, científicos, tecnólogos y empresariosestán en la búsqueda permanente de nuevasformas de usar la nanotecnología paradisminuir el daño a nuestro planetaaprovechando de forma eficiente los recursosnaturales disponibles y económicamentebenéficos al considerar la relación costo-beneficio en la producción.

La experiencia adquirida en la investigación y aplicación de nanomateriales en los últimos 20 añosha hecho que tanto científicos como ingenieros en nanotecnología se hayan vuelto habilidosos eingeniosos en sus usos. Gracias a este entendimiento adquirido en las complejidades de los objetosen la nanoescala, los investigadores tienen ahora una idea más clara de cómo crear nanomaterialescon propiedades nunca antes imaginadas. La trascendencia que tiene la elaboración de nuevosproductos hechos con nanomateriales se observa en su disponibilidad actual en el mercado. Porejemplo, vendajes antibacteriales para disminuir o eliminar infecciones en heridas, cremasbloqueadoras que contienen nanopartículas para prevenir quemaduras solares, aparatoselectrónicos (teléfonos celulares, laptops, etc.) con circuitos integrados conteniendo transistores aescala nanométrica, recubrimientos que eviten las ralladuras en pinturas y eliminen el resplandor envidrios y espejos en autos, etc. .

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Imágenes TEM (a, byc) de nanopartículas de sílice mesoporosas preparadas con diámetro exteriormedio: (a) 20 nm, (b) 45 nm; y (c) 80 nm. Imagen SEM (d) correspondiente a (b). Las inserciones sonuna gran ampliación de partículas de sílice mesoporosa.

La movilidad individual y colectiva es una de las necesidades y preocupaciones básicas del serhumano, sobre todo en los grandes asentamientos urbanos. El desplazamiento de considerablesdistancias en el menor tiempo posible en un transporte seguro, eficiente, cómodo y sostenible esuna preocupación latente en nuestra sociedad. De ahí que cuestiones concernientes a la protección

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de los pasajeros, sistemas de guía de tráfico “inteligentes”, reducción de contaminantes, consumoracional de combustible, estado óptimo en general del vehículo y reciclaje eficiente al final de lacadena de uso buscando el ahorro de materiales escasos, se han vuelto urgentes . En particular, laimportancia de la aplicación de la nanotecnología en el sector automotriz radica en crearnanomateriales novedosos que usen materias primas abundantes en el planeta y/o reciclables que,a su vez, garanticen bajos costos en la producción de automóviles de alta calidad y eficiencia .

Separando a los automóviles en autónomos y no-autónomos o tradicionales, las aplicaciones que setratan aquí se enfocan en la industria automotriz tradicional. Esto no significa que las aplicaciones dela nanotecnología en vehículos autónomos no sean relevantes o interesantes; por el contrario, estosmedios de transporte son el futuro de esta industria. Así mismo, los automóviles tradicionales sonaquellos con motores de combustión interna, por lo que tampoco se trata aquí a los vehículoseléctricos e híbridos. Aunque las aplicaciones de la nanotecnología en vehículos tradicionalesusualmente también son adaptables a los autónomos, pero no necesariamente a la inversa. Loscientíficos e ingenieros en nuestros días constantemente buscan nanomateriales que poseanpropiedades únicas y/o optimizadas, tales como baja densidad pero gran resistencia al desgastemecánico y durabilidad, alta hidrofobicidad, aumento en el control del espectro de luz solar, mayoro menor reactividad química específica como en convertidores catalíticos o recubrimientosanticorrosivos, etc. . Por supuesto que es imposible que exista un tipo de material que reúna todasestas cualidades, de aquí que trataremos a cada uno por separado.

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Nanotubos de carbono (zig-zag, quiral y sillón).

La reducción del peso de un vehículo es un tópico muy discutido ya que mejoraría el rendimientoen el consumo de combustible y disminuiría el costo de producción . Este decremento en el pesode un automóvil no debe afectar la estabilidad y resistencia mecánica contra impactos. Por ejemplo,las partes más pesadas en un automóvil son el motor y el sistema de transmisión, más que la

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carrocería. Con el advenimiento de nuevas aleaciones conformadas en parte por nanomaterialesligeros, tales como nanotubos de carbono, se tendría un consumo más eficiente de gasolina. Losnanotubos de carbono son aproximadamente 1 000 veces más ligeros y 150 veces más fuertes queel acero, materia prima principal en las partes ya mencionadas de un automotor . La adición denanocompositos poliméricos ligeros de arcilla con polipropileno, poliamida y policarbonatos seutilizan en la manufactura de partes cercanas al motor pues tienen gran resistencia térmica. Otramanera de reducir el peso de un vehículo es modificando el material del que está hecha laestructura externa. La mayoría de los automóviles tienen chasis o carrocerías de acero y/oaleaciones de aluminio. Este último, es más ligero e inoxidable pero tiene un mayor costo por lo queusualmente se utiliza en vehículos de lujo. Además, las aleaciones de aluminio deben ser muyprecisas, cerca del orden de niveles atómicos durante el proceso de fundición y templado para quetengan una alta resistencia a la deformación mecánica. Nanopartículas de Cu, Y2O3 o Al2O3

embebidas en aleaciones con magnesio muestran propiedades mecánicas perfeccionadas, mayorresistencia y menor ductilidad, sin gran pérdida de otras propiedades. Los nanocompositos hechosprincipalmente con magnesio proveen mayor dureza y compresibilidad, así como menor desgaste yfatiga a esfuerzos.

Los termoplásticos y las fibras de carbono también se utilizan en la fabricación del chasis de autoshaciéndolos ligeros con un gran ahorro de combustible pero la carrocería tiende a ser frágil en elprimero y el costo de producción es muy alto en el segundo. Los nanotubos de carbono son unexcelente candidato para sustituir a los compositos y termoplásticos. Una alternativa sería el uso demateriales compuestos con nanotubos de carbono integrados a una matriz polimérica, comoalgunos plásticos, para crear compuestos livianos, resistentes al desgaste y corrosión que haganque los autos sean económicos y con una vida útil larga. Otra manera de hacerlo es aplicar unrecubrimiento uniforme de alrededor de 100 nanómetros de grosor de carburo de tungsteno, que esduro, anticorrosivo y tiene gran adherencia a varias aleaciones. Desafortunadamente, los métodosindustriales existentes para llevar a cabo este tipo de recubrimientos se hacen en herramientaspequeñas, como brocas y buriles . Por fortuna, se desarrollan investigaciones que se enfocan en lasustitución controlada de boro por átomos de carbono en la síntesis de nanotubos de carbono. Deacuerdo con los resultados previos, una concentración tan pequeña como 1 % de boro en nanotubosde carbono hace que las propiedades físicas de los nanotubos cambien drásticamente. Así, ademásde ser un material ligero y resistente, el boro haría que el compuesto fuera hidrofóbico y con unamayor estabilidad térmica al ser ignífugo, esto es, con alta resistencia a la combustión. El método delaboratorio, depósito por vapor químico vía pirolisis, en la sustitución de boro por carbón en lasíntesis de nanotubos de carbono, se podría escalar de manera similar a como se hace con lastécnicas de depósito de películas delgadas. Una de ellas sería el prototipo de proceso industrial deimplantación de iones de Ar y O en pistones para disminuir el desgaste en los pistones de motores .Por lo tanto, es un reto interesante desarrollar un método industrial que aumente la dureza y evite laoxidación en la carrocería de un auto.

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Por otro lado, el “efecto loto” se refiere al hecho de que las hojas de la flor de loto exhiben granrepelencia al agua . Esto ha inducido el desarrollo de tratamientos y recubrimientos conteniendonanopartículas y nanomateriales que impiden que la pintura de un vehículo se ensucie o se moje,por lo que el vehículo se mantendría en condiciones óptimas si se encuentra en estado impecable.Las pinturas tienen una doble función: decorativas y, principalmente, protectoras. Losnanomateriales en las pinturas evitarían problemas de desgaste y corrosión relacionados con el usode detergentes y agua en el lavado del auto que con el tiempo hacen que la pintura se vuelvaopaca y/o cambie de tono de color. Esto hace que los vehículos tengan mejor apariencia y, sobretodo, sean más durables. La industria automotriz tradicionalmente ha empleado una capa pasivante

de Cr3+sobre otra capa de zinc y luego aplicadas sobre la carrocería de acero o aleación de aluminiopara protección contra la corrosión . Desafortunadamente, el cromo es altamente tóxico. Parasuperar esta desventaja, se han incorporado nanopartículas de SiO2 en las pinturas. Esto se conoce

como proceso de nanopasivación, como recubrimiento anticorrosivo no-tóxico. Además,nanopartículas de ZrO2, AlO(OH), o SiO2 embebidas en lacas curables aplicadas sobre el chasis

hacen que este sea resistente a la abrasión. Los recubrimientos basados en el “efecto loto” estáncompuestos en parte por nanopartículas hidrofóbicas de silsesquioxano que contienen gruposquímicos promotores de adherencia y baja energía superficial. El silsesquioxano es un compuestosólido organosílico incoloro que, además, al ser funcionalizado con ciertos grupos amonio, tieneefecto bactericida en las nanopartículas, lo que inhibe la formación de biopelículas en la carrocería.Las pinturas basadas en recubrimientos con estas nanopartículas tienen una propiedad de auto-

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remediación. Es decir, el efecto de estas nanopartículas mezcladas en la pintura de los vehículos esque el polvo no se adhiera y que el agua condense solo en pequeñas gotas que se resbalen sinmojar la superficie de la carrocería . También estas nanopartículas de silsesquioxano con acciónantimicrobiana se podrían usar para la protección en los vidrios y las vestiduras.

Las nanopartículas de silsesquioxano con acción antimicrobiana se podrían usar para laprotección en los vidrios y vestiduras.

Las nanopartículas tienen propiedades ópticas asombrosas si tienen un tamaño menor que lalongitud de onda en la región visible del espectro electromagnético. En primer lugar, no existereflexión sobre ellas. En segundo lugar, dispersan y absorben luz visible de manera distintadependiendo de su composición, tamaño y forma, lo que causa que se observen diferentes coloresdependiendo de la longitud de onda. De aquí que controlando el tamaño de una nanopartícula deun cierto material es posible reflejar y dispersar determinadas regiones del visible, incluyendo UV einfrarrojo, para aplicaciones deseadas en parabrisas, vidrios y espejos . Respecto a la autoprotecciónde vidrios y espejos en los vehículos, hay un tipo de nanopartículas que filtran cierta región delespectro de luz solar, así como humo y algunos contaminantes. Si se aplica un recubrimiento, degrosor menor a 100 nm, conteniendo nanopartículas de Al2O3, sobre parabrisas y espejos en un auto,

se evita el deslumbrante resplandor de luces de otros vehículos . Ahora bien, la misma tecnologíausada tanto en la transmisión de señales de teléfonos “inteligentes” como ondas de radio sininterferencia al interior de un automóvil, también se puede utilizar para otros fines. Losinvestigadores e ingenieros trabajan en la producción de recubrimientos conteniendonanopartículas de silicio sobre el parabrisas para utilizar la energía solar.

Existen muchas otras aplicaciones de la nanotecnología en la industria automotriz. En especial,destaca la industria de semiconductores debido al notable avance en dispositivos electrónicos quese han vuelto ubicuos en nuestra sociedad, como los teléfonos “inteligentes”. Hay que recordar laenorme importancia del empleo de microprocesadores en los vehículos automotores (llamadoscomúnmente computadoras) como controladores en la inyección de combustible y sensores en unmotor. Los microprocesadores son circuitos integrados conformados principalmente portransistores de tamaño nanométrico. Otras aplicaciones se encuentran en la búsqueda denanomateriales para reemplazar el platino, material de costo muy alto, en convertidores catalíticos yla optimización de los diversos sensores electrónicos localizados en o cerca del motor de unvehículo.

Sin lugar a dudas, como ha ocurrido con los grandes avances, el riesgo en el desarrollo de cualquiernuevo material, incluyendo sus técnicas de fabricación, es inherente en el progreso de lahumanidad. Todas las tecnologías han tenido, o tienen, impacto en nuestras vidas; además deofrecer un beneficio, pueden causar daño. La investigación de potenciales impactos ambientales enseguridad y salud son áreas importantes, ya que se desconocen los peligros a la exposición o

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consumo en el uso de nuevos materiales. Por ejemplo, el asbesto fue utilizado principalmente en laindustria de la construcción como aislante y resistente al fuego desde el siglo XIX. Sin embargo, seprohibió oficialmente el uso de este compuesto a finales del siglo XX debido a que organizacionesde salud pública lo clasificaron como cancerígeno. Los efectos tóxicos para el hombre por el uso deestos nuevos nanomateriales aún son inciertos ya que su empleo masivo tiene solamente algunosaños.

Por fortuna, los recubrimientos conformados con nanomateriales tienen efectos benéficos sobre lassuperficies interior y exterior de un vehículo. En la escala nanométrica, la relación entre volumen yárea superficial aumenta, ya que hay más átomos expuestos al medio ambiente haciendo, por lotanto, que las propiedades superficiales dominen sobre las propiedades en bulto de un material.Debido a esto, resultan atributos únicos en esta escala algunos fenómenos como la reactividadquímica que realzan ciertas propiedades como resistencia contra la oxidación, abrasión mecánica ycombustión. Más allá de los avances estéticos y de desempeño que la nanotecnología aporta a laindustria automotriz, hay cinco factores básicos que se deben considerar cuando se escoge unnanomaterial en un medio de transporte: seguridad, economía, mantenimiento mínimo, confort y

amigable al medio ambiente. C2

Referencias- L. Williams, W. Adams, “Nanotechnology Demystified” (McGraw-Hill, New York, 1era. Edición,1.2007).- F.J. Feiligtag, M.N. Noederberger, “The fascinating world of nanoparticle research”, Materials2.Today 16 (7-8), July-August, 262-271 (2013)Proyecto NANO-SME “Aplicaciones Industriales de la Nanotecnología”, Fundación ITMA-3.Universidad de Oviedo(https://www.idepa.es/documents/20147/163848/AplicacionesIndustriales.pdf/6c110c65-76ef-fdfb-15dd-38c072d6e2ee)H. Presting, U. König, “Future nanotechnology developments for automotive applications”,4.Materials Science and Engineering C 23, 737–741 (2003).J. Mathew, J. Joy, S. C. George, “Potential applications of nanotechnology in transportation: A5.review”, Journal of King Saud University – Science, In Press (2018)(https://doi.org/10.1016/j.jksus.2018.03.015).

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